Wykryto echa radiowe pochodzące od czarnej dziury żywiącej się gwiazdą

Wykryte sygnały radiowe sugerują, że czarna dziura emituje strumień energii proporcjonalny do materii gwiazdowej, którą pochłania.

11 listopada 2014 r. globalna sieć teleskopów odebrała sygnały z odległości 300 mln lat świetlnych od nas, rozbłysk powstały wskutek rozerwania pływowego – wybuch promieniowania elektromagnetycznego, który pojawia się, gdy czarna dziura rozrywa gwiazdę przechodzącą w jej pobliżu. Od czasu odkrycia astronomowie wykorzystywali swoje teleskopy do badania tego rzadkiego zjawiska, aby dowiedzieć się więcej o tym, w jaki sposób czarne dziury pochłaniają materię i regulują wzrost galaktyk.

Naukowcy z MIT oraz Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa wykryli sygnały radiowe ze zdarzenia, które bardzo dokładnie odpowiada sygnałom promieniowania rentgenowskiego pochodzącym z tego samego błysku 13 dni wcześniej. Naukowcy uważają, że te radiowe „echa”, które w ponad 90% przypominają sygnały rentgenowskie z tamtego zdarzenia, są czymś więcej niż przypadkowym zbiegiem okoliczności. Wydają się być dowodem na gigantyczny strumień wysokoenergetycznych cząstek wypływających z otoczenia czarnej dziury, na którą opada gwiezdna materia.

Dheeraj Pasham, badacz z Instytutu Kavli MIT mówi, że podobne wzorce sugerują, że moc strumienia emitowanego z czarnej dziury jest w jakiś sposób kontrolowana przez tempo, w jakim czarna dziura pożera rozerwaną gwiazdę.

Pasham dodaje także, że naukowcy podejrzewali, że dżety czarnych dziur zasilane są tempem ich akrecji, ale nigdy nie byli w stanie zaobserwować tego związku w obrębie pojedynczego zdarzenia. Można to zaobserwować tylko w chwili, gdy początkowo czarna dziura nie jest aktywna a potem pojawi się w jej pobliżu gwiazda, którą ona rozerwie i pochłonie, otrzymując ogromne ilości paliwa. To dobra okazja aby zbadać takie zjawisko od samego początku.

Opierając się na modelach teoretycznych ewolucji czarnych dziur, w połączeniu z obserwacjami odległych galaktyk, naukowcy mają ogólne rozeznanie w tym, co dzieje się podczas rozerwania gwiazdy: gdy gwiazda zbliża się do czarnej dziury, grawitacja tejże generuje siły pływowe w gwieździe, podobnie jak Księżyc na fale w ziemskich oceanach.

Jednak oddziaływanie grawitacyjne czarnej dziury jest tak silne, że potrafi rozciągnąć gwiazdę i spłaszczyć jak naleśnik, ostatecznie rozrywając ją na kawałki. W efekcie fragmenty rozerwanej gwiazdy opadają i zostają uwięzione w dysku akrecyjnym otaczającym czarną dziurę.

Cały ten proces emituje kolosalne rozbłyski energii w całym spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Naukowcy obserwują takie rozbłyski w widmie optycznym, ultrafioletowym i rentgenowskim, a także od czasu do czasu w na falach radiowych. Uważa się, że źródłem emisji promieni X jest ultra-gorąca materia w najbardziej wewnętrznych obszarach dysku akrecyjnego. Promieniowanie ultrafioletowe i optyczne pochodzi prawdopodobnie z odleglejszych obszarów dysku, które ostatecznie także zostaną wciągnięte przez czarną dziurę.

Jednak to, co jest źródłem promieniowania radiowego powstającego podczas rozrywania gwiazdy jak na razie pozostaje tematem dyskusji.

Niektórzy naukowcy przypuszczają, że tuż po wybuchu gwiazdy fala uderzeniowa rozprzestrzenia się na zewnątrz wzbudzając cząsteczki plazmy w otaczającym ją ośrodku międzygwiezdnym, w procesie emitującym fale radiowe. Jednak w takim przypadku wzorzec emitowanych fal radiowych wyglądałby diametralnie różnie od wzorca promieni rentgenowskich wytwarzanych przez opadające na czarną dziurę odłamki gwiazdy.

„To, co udało nam się odkryć, zasadniczo podważa tę teorię” – mówi Pasham.

Pasham i jego kolega van Velzen przejrzeli dane dotyczące rozbłysku pochodzącego z pływowego rozerwania gwiazdy odkrytego w 2014 roku przez globalną sieć teleskopów ASASSN (All-sky Automated Survey for Supernovae). Wkrótce po wstępnym odkryciu, liczne teleskopy obserwujące niebo skupiły się na tym zjawisku, które astronomowie nazwali ASASSN-14li. Pasham i van Velzen przeanalizowali dane radiowe z trzech teleskopów obejmujące okres 180 dni wokół momentu odkrycia.

Analizując zebrane dane radiowe naukowcy odkryli wyraźne podobieństwo do wzorów zaobserwowanych wcześniej wśród danych rentgenowskich z tego samego zdarzenia. Kiedy dopasowali dane radiowe do danych rentgenowskich i przesunęli je na osi czasu aby porównać ich podobieństwa, stwierdzili, że dane są identyczne w 90% po przesunięciu o 13 dni.

Jedyne możliwe wytłumaczenie jest takie, że mamy do czynienia z procesem fizycznym, który łączy obydwa te obszary emitujące promieniowanie X i radiowe.

Z tych samych danych wynika, że Pasham i van Velzen obliczyli, że rozmiar obszaru emitującego promieniowanie rentgenowskie był 25 razy większy, niż Słońce, podczas gdy obszar emitujący fale radiowe był 400 000 razy większy od promienia Słońca. Nie jest to przypadek. Najwidoczniej istnieje związek pomiędzy tym małym obszarem rentgenowskim a rozległym obszarem emitującym fale radiowe.

Zespół sugeruje, że fale radiowe zostały wytworzone przez strumień wysokoenergetycznych cząstek, które zaczęły wypływać z otoczenia czarnej dziury krótko po tym, jak ta zaczęła pochłaniać materię z rozerwanej gwiazdy. Ponieważ obszar dżetu, w którym po raz pierwszy powstały fale radiowe był niesamowicie gęsty, większość z nich została natychmiast pochłonięta przez inne elektrony.

Dopiero gdy elektrony zaczęły się przemieszczać wraz ze strumieniem, fale radiowe mogły uciec, emitując sygnał, który wykryli naukowcy. Wynika z tego, że moc strumienia musi być kontrolowana przez tempo akrecji, lub prędkość, z jaką czarna dziura pożera fragmenty gwiazdy emitując promieniowanie rentgenowskie.

Ostatecznie wyniki mogą pomóc naukowcom lepiej scharakteryzować fizykę zachowań dżetów – niezbędny składnik w modelowaniu ewolucji galaktyk. Uważa się, że galaktyki rosną poprzez tworzenie nowych gwiazd, a proces ten wymaga niskich temperatur. Kiedy czarna dziura emituje strumień cząstek, w gruncie rzeczy rozgrzewa otaczającą ją galaktykę, czasowo zatrzymując tworzenie się gwiazd. Nowe spojrzenie zespołu na powstawanie dżetów i akrecję czarnych dziur może pomóc uprościć modele ewolucji galaktyk.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
MIT

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.